單晶剛玉輪胎磨削鎳基高溫合金表面特征的研究

單晶剛玉輪胎磨削鎳基高溫合金表面特征的研究

高溫材料廣泛應(yīng)用于航空和軍用航空材料的耐熱涂層中。在高溫材料的最終服役表面上，高溫材料的研磨表面或接近加工表面，而干燥表面的質(zhì)量直接影響組件的使用性。然而，高溫材料的研磨和加工強度低，研磨力大，磨損高。車輪容易粘附、彎曲和磨損。表面研磨比較低（表面研磨比為g.1），不利于獲得良好的表面質(zhì)量，并影響高溫材料組件的服務(wù)性能。表面完整性是一種嚴重的加工方法，它對加工的表面狀態(tài)造成損害和惡化。這是材料加工中的一個重要指標，在材料加工中對組件的耐磨性、疲勞性能和耐熱性具有重要的決定作用。因此，在對高溫合金材料的研磨和加工中，應(yīng)注意對表面完整性的控制。KumarS和ChoudhurySK研究了磨削力對零件表面粗糙度的影響,結(jié)果表明為了獲得較好的表面質(zhì)量,應(yīng)盡量減小振動、降低磨削力,同時還需適當提高砂輪的速度.HeckerRL和LiangSY研究了磨削參數(shù)(包括磨削深度、速率比、工件當量直徑、砂輪的顯微組織)對磨削表面粗糙度的影響,并建立了磨削表面粗糙度的預(yù)測模型.Peter等研究了高溫合金磨削過程中的磨削力和磨削溫度對磨削表面的殘余應(yīng)力的影響.Guo等研究了鎳基高溫合金在采用電鍍氧化硼(CBN)砂輪磨削時砂輪磨損、加工參數(shù)對磨削性能的影響等,并建立了磨削功率模型.何玉懷等對直接時效GH4169高溫合金的疲勞裂紋擴展性能進行了實驗研究.分別研究了厚度、溫度、應(yīng)力比等因素對直接時效GH4169高溫合金疲勞裂紋擴展性能的影響.徐西鵬等針對磨削溫度對高溫合金工件表面完整性影響進行了分析;并在一臺精密平面磨床上分別采用SiC,Al2O3和CBN砂輪對TC4和鎳基高溫合金K417進行平面磨削實驗,解釋了砂輪磨損機理.周志雄和毛聰?shù)妊芯苛四ハ鳒囟葘Ρ砻尜|(zhì)量的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):當磨削溫度不足以使已磨表面出現(xiàn)明顯燒傷時,磨削溫度對表面粗糙度值的影響不大.康仁科等通過對單顆CBN磨粒和普通磨粒磨損特性的比較以及對陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨損特性和磨削性能的分析,研究了CBN砂輪磨削難加工材料時磨削液的作用,提出了陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削液的選擇依據(jù).任敬心等分析了高溫合金GH33A磨削時傳入工件表層熱量的百分比;采用數(shù)值解析的方法計算不同深度處的磨削溫度和殘余應(yīng)力,并進行了實驗驗證.同時還研究了高溫合金GH4169的磨削特征.其磨削時砂輪表面存在嚴重的黏附物使磨削力和磨削溫度顯著增高,磨削比較低.楊茂奎等針對陶瓷結(jié)合劑立方氮化硼(CBN)砂輪磨削GH4169高溫合金的磨削加工性和磨削表面完整性進行研究,研究了磨削參數(shù)對磨削力、磨削溫度和磨削比的影響規(guī)律,建立了表面完整性指標與磨削參數(shù)之間的關(guān)系.黃新春等通過GH4169高溫合金平面切入磨削實驗,建立了表面粗糙度的經(jīng)驗公式,分析了表面粗糙度對磨削參數(shù)的靈敏度,獲得了磨削參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域.在上述大部分研究中,主要是針對磨削力和磨削溫度的作用機理,以及磨削表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力與磨削工藝參數(shù)的關(guān)系進行了分析,僅是對表面完整性的個別表面指標進行研究,缺乏對于表面完整性系統(tǒng)的闡述和對于磨削表面變質(zhì)層內(nèi)的完整性指標進行測試分析.本文采用正交實驗方法,使用單晶剛玉砂輪平面切入磨削GH4169高溫合金,選用表面完整性標準評價體系對磨削表面完整性(表面粗糙度、表面形貌、微觀組織、顯微硬度和殘余應(yīng)力)的影響進行了研究,以期為高溫合金磨削參數(shù)及進行表面完整性控制研究提供相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ).1表面完整性評價標準表面完整性是指零件由加工所形成的表面特征和表層特性.表面完整性定義見參考文獻美國機械加工切削數(shù)據(jù)手冊,其對表面完整性的評價采用3個級別標準.表面完整性的評價指標如圖1所示:(1)與表面紋理相關(guān)的幾何特征(表面粗糙度、表面波紋度、表面紋理方向和表面缺陷);(2)變質(zhì)層特征:包括表層硬度梯度、殘余應(yīng)力場、微觀組織變化、塑性變形等.本文選用標準數(shù)據(jù)組作為評價GH4169高溫合金平面磨削的表面完整性的標準,主要分析磨削工藝參數(shù)對磨削表面特征、殘余應(yīng)力場、顯微硬度梯度和微觀組織的影響規(guī)律.2gh4169研磨實驗2.1高溫力學(xué)性能研究采用的試件材料為GH4169鍛造鎳基高溫合金,其屬Ni-Cr-Fe基時效硬化型合金,熱處理工藝為:鍛后水冷+720℃×8h以50℃/h爐冷到620℃×8h空冷.其主要化學(xué)成份組成見表1.GH4169高溫合金利用其高強度、高耐腐蝕性以及良好的高溫力學(xué)性能,使其在航空工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用,其在室溫/高溫下的力學(xué)性能見表2.2.2試件加工和加工實驗采用MM7120A平面磨床;砂輪采用SA80KV,寬度為25mm;磨削方式為切入順磨,采用乳化液冷卻.本文旨在分析砂輪速度、磨削深度和工件速度對表面完整性的影響,實驗采用正交實驗方法,其磨削參數(shù)選擇如表3所示.實驗方案如圖2所示.表面粗糙度測量系統(tǒng)采用TR240便攜式表面粗糙度儀,分別在磨削表面垂直磨削方向各取5個點測量粗糙度取平均值,取樣長度為0.8mm,評定長度為4.0mm.表面形貌采用VECOO三維輪廓儀和AMRAY-1000B的掃描電子顯微鏡觀察.顯微硬度的測量采用MHT-4顯微硬度測試計測試,實驗力選擇200g,保持載荷時間為10s,測量值為維氏硬度(HV),同時測量材料基體內(nèi)的顯微硬度為(440~480HV).殘余應(yīng)力采用XStress3000X射線應(yīng)力分析儀進行測試.沿著已加工試樣磨削方向和垂直于磨削方向切割、制備金相試樣.將切割斷面研磨、拋光后進行腐蝕,腐蝕劑配比為鹽酸∶甲醇∶過氧化氫(3%)等于2.5∶2.5∶1.采用型號為LeicaDMI5000M倒置金相顯微鏡對斷面微觀組織進行觀察.加工完的試件如圖3所示,試樣尺寸為:30mm×20mm×10mm,選用參數(shù)如表3.3磨削參數(shù)對表面粗糙度和表面顯微維硬度h和殘余應(yīng)力的影響表4為表面粗糙度Ra、表面顯微硬度H和表面殘余應(yīng)力σ的測量結(jié)果,通過對表4中測量結(jié)果與磨削參數(shù)的直觀分析,可以得到磨削參數(shù)對表面粗糙度Ra、表面顯微維氏硬度H和表面殘余應(yīng)力σ的影響規(guī)律.3.1基于顯微硬度的表面粗糙度ra的模型分析利用線性回歸分析方法,對表3、表4中的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)和表面特征測試數(shù)據(jù)進行分析,建立了GH4169高溫合金磨削表面特征隨磨削加工參數(shù)變化的經(jīng)驗公式,如式(1)所示對上述回歸方程進行相關(guān)系數(shù)檢驗,其表面粗糙度的回歸分析相關(guān)系數(shù)R2=0.826,說明其相關(guān)性是可信的,而且建立的回歸模型是顯著的;其表面顯微硬度的回歸分析相關(guān)系數(shù)R2=0.557,表面殘余應(yīng)力的回歸分析相關(guān)系數(shù)R2=0.764,說明其為中度相關(guān)的;上述特征分析用于揭示與磨削工藝參數(shù)的關(guān)系是可行的.由上式(1)可得,表面特征對各磨削工藝參數(shù)的相對靈敏度即為參變量的指數(shù),即由式(2)可知,在GH4169高溫合金進行平面磨削時,表面粗糙度Ra對工件速度vw的變化最敏感,對磨削深度ap變化的敏感次之,對砂輪速度vs的變化最不敏感;表面顯微維氏硬度H對砂輪速度vs的變化最敏感,對磨削深度ap變化的敏感次之,對工件速度vw的變化最不敏感;表面殘余應(yīng)力σ對砂輪速度vs變化最敏感,對磨削深度ap變化的敏感次之,對工件速度vw的變化最不敏感.3.2速度vw和磨削深度的關(guān)系圖4示出是對表4測試結(jié)果進行直觀分析,得到磨削工藝參數(shù)對表面特征的影響.由于采用切入磨的方式,被加工試樣較小,磨削時砂輪與工件作用面也較小,所以其磨削力和磨削溫度的作用時間較短,對表層冷作硬化作用不十分明顯,所以表面顯微硬度變化不大,同時由于切入磨過程中由熱塑性變形產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力效果多于有擠光效應(yīng)產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力,所以其磨削表面均為殘余拉應(yīng)力.1)由圖4(a)可知,隨著工件速度vw的增加,使已加工表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra增大,因為增大工件速度vw會使單顆磨粒的未變形切削厚度ag增大.同時,由于磨削力增大,發(fā)熱量加大,從而使塑性變形增大,表層冷作硬化也隨之增大,表面顯微硬度隨之增大.但是隨著工件速度增高,砂輪與工件接觸的時間縮短,即熱源沿加工表面的移動速度加快,熱作用時間縮短,因而工件速度vw的增加,對表層冷作硬化和熱應(yīng)力的影響很小,磨削表面殘余應(yīng)力略有升高.2)由圖4(b)可知,隨著磨削深度ap的增加,會使單顆磨粒未變形磨削厚度ag增大,磨削力加大,因而使表面粗糙度Ra值增大.同時由于砂輪與工件的磨削接觸弧長加長,同時參加的工作磨粒數(shù)增多,磨削過程中的磨屑變形力及摩擦力均增大的關(guān)系,使工件表面溫度升高,表層冷作硬化隨之增大,表面顯微硬度隨之增大,表層塑性變形的作用加大,比磨能增大,磨削溫度增高,熱應(yīng)力增大,因而使殘余應(yīng)力增大.3)由圖4(c)可知,隨著砂輪速度vs的增加,單位時間內(nèi)參加切削的總磨粒數(shù)增多,會使單顆磨粒未變形磨削厚度ag減小,使已加工表面輪廓算數(shù)平均偏差Ra減小.但是由于單位時間內(nèi)的工作磨粒數(shù)增多,磨削厚度變薄,即磨屑分割得較細,磨屑變形能增大,工件表面溫度升高,在此交互作用下,表層冷作硬化變化小,表面顯微硬度幾乎不變,還由于此時磨削力造成的擠光效應(yīng),從而使磨削表面拉應(yīng)力減小.3.3耕、形態(tài)分析圖5示出磨削表面三維形貌和磨削紋理照片,由于表面粗糙度對工件速度的變化最敏感,對磨削深度變化敏感次之,對砂輪速度的變化最不敏感,所以在研究表面形貌時固定磨削深度、改變工件速度,從而研究表面形貌隨工件速度變化的規(guī)律.由圖5(a)可知,在圖示磨削條件下,其表面粗糙度為273.79nm,最大波峰高度為1.43μm,最大波谷深度為1.86μm,磨削紋路較清晰,在掃描電鏡200倍和800倍條件下觀察,可以發(fā)現(xiàn)耕犁和輕微的皺疊現(xiàn)象;由圖5(b)可知,其表面粗糙度為454.07nm,最大波峰高度為2.28μm,最大波谷深度為2.52μm,磨削紋路清晰,在掃描電鏡200倍和800倍條件下觀察,可以發(fā)現(xiàn)耕犁和皺疊現(xiàn)象,出現(xiàn)少量的黏附物;由圖5(c)可知,其表面粗糙度為594.01nm,最大波峰高度為1.97μm,最大波谷深度為3.94μm,磨削紋路清晰,在掃描電鏡200倍和800倍條件下觀察,可以發(fā)現(xiàn)耕犁和皺疊現(xiàn)象,出現(xiàn)較多的黏附物.由此可知,隨著工件速度的增加,因單顆磨粒的未變形切削厚度ag增大,使已加工表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra增大,同時由于磨削力增大,發(fā)熱量加大,從而使塑性變形增大,工件表面耕犁和皺疊現(xiàn)象加強,磨削表面紋路有明顯變化,黏附物增多.3.4顯微硬度變化對表面層的影響如圖6所示,為磨削表面顯微硬度梯度分布.由于表面顯微硬度對砂輪速度變化最敏感,對磨削深度變化敏感次之,對工件速度的變化最不敏感,所以在研究顯微硬度梯度時固定磨削深度,取不同砂輪速度,從而研究顯微硬度隨砂輪速度變化的規(guī)律.由圖6可知,磨削時磨粒的滑擦、耕犁和切削作用會使被磨表層發(fā)生塑性變形,塑性變形產(chǎn)生的硬化與磨削溫度產(chǎn)生的軟化相互綜合,高溫合金的硬度不高,磨削時塑性變形區(qū)的晶格嚴重扭曲,由于高溫合金材料熱導(dǎo)率低,使得磨削熱集中在被磨工件表層的磨削接觸區(qū)內(nèi),從而使磨削溫度顯著升高,合金材料中的γ晶粒內(nèi)的γ′相聚集長大,γ″相長大成盤狀.γ″相是一種亞穩(wěn)定相,當溫度升高時,它會向δ相轉(zhuǎn)化,因此,此時晶內(nèi)有片狀δ相析出.δ相不起強化作用,機體粗大的γ′相和γ″相也不能起到強化作用,從而會導(dǎo)致被磨表面層軟化,但隨著距磨削表面距離的增加,磨削溫度的影響變小,而磨削力的影響占主導(dǎo),從而會出現(xiàn)硬化現(xiàn)象.隨著砂輪速度vs的增加,顯微硬度的變化層厚度增大,由于單位時間內(nèi)的工作磨粒數(shù)增多,磨削厚度變薄,即磨屑分割得較細,磨屑變形能增大,工件表面溫度升高,在此交互作用下,顯微硬度變化并不十分明顯,顯微硬度變化影響層深度為80~100μm左右.3.5基于殘余應(yīng)力的磨削表面應(yīng)力場分析磨削高溫合金時,將產(chǎn)生大量的磨削熱,從而使磨削表層產(chǎn)生壓縮性變形,在冷卻過程中,表層會形成殘余拉應(yīng)力;同時由于磨削時產(chǎn)生很大的法向磨削力,其產(chǎn)生的擠光效對表層殘余應(yīng)力有明顯的影響.圖7示出磨削表面殘余應(yīng)力場分布圖,其是在熱塑性變形和擠光效應(yīng)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力交互作用的結(jié)果.在研究殘余應(yīng)力時,固定砂輪速度,取不同的磨削深度,從而研究磨削深度隨工件速度變化的規(guī)律.隨著磨削深度ap的增加,比磨能增大,磨削溫度增高,熱應(yīng)力增大,殘余應(yīng)力影響層厚度增加,在磨削深度為50μm時,其殘余應(yīng)力影響深度在80μm左右;在磨削深度為100μm時,其殘余應(yīng)力影響深度在150μm左右;在磨削深度為150μm時,其殘余應(yīng)力影響深度在200μm左右.3.6磨削表層微觀組織的變化圖8示出顯微鏡下面觀察得到的磨削表面顯微組織,磨削高溫合金時,由于被磨表面承受的壓力超過材料的屈服極限時所產(chǎn)生的顯微組織變化,其晶格產(chǎn)生滑移、畸變和歪曲,從而使晶粒破碎、拉長.本文由于采用切入磨的方式,被加工試樣較小,磨削時砂輪與工件作用面也較小,所以其磨削力和磨削溫度的作用時間較短,磨削表層微觀組織變化并不大,晶格產(chǎn)生滑移、畸變和歪曲也不明顯,其塑性變形層在5~10μm左右.只是隨著磨削深度ap的增加,磨削力加大,砂輪與工件的磨削接觸弧長加長,同時參加的工件磨粒數(shù)增多,磨削過程中的磨屑變形力及摩擦力均增大的關(guān)系,工件表